一、摘要
以层状α–磷酸锆、聚四氟乙烯(PTFE)乳液为原料，采用含泥复合–塑化方法制备了PTFE/层状α–磷酸锆复合材料，从改性层铅笔硬度、摩擦面表面形貌、摩擦因数、磨损量四个方面分别研究干摩擦和有油润滑条件下不同含量层状α–磷酸锆对PTFE摩擦磨损性能的影响机制。结果表明，无论是在干摩擦条件下还是在有油润滑条件下，添加层状α–磷酸锆的PTFE改性层均具有优异的摩擦磨损性能。随着层状α– 磷酸锆含量提高，PTFE改性层的铅笔硬度增加、摩擦因数先降低后升高，磨损量大幅降低;当层状α–磷酸锆质量分数为15%时摩擦因数最低，在干摩擦条件下和有油润滑条件下其摩擦因数较纯PTFE分别降低5%和50%，磨损量较纯PTFE分别降低83.33%和78.57% ;通过对摩擦面表面及磨损量的分析得出，干摩擦条件下PTFE改性层的磨损机理以磨粒磨损为主，有油润滑条件下磨损机理以轻微的黏着磨损为主。
二、简介
聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的自润滑性能，摩擦因数低，是滑动摩擦零件中重要的减摩基体材料，但PTFE材料存在耐磨性差、硬度和强度低等缺点，限制了其在很多领域的发展和应用。通过在PTFE材料中添加一些添加剂，如二硫化钼、石墨、二氧化锆、氮化硼等可有效提高其摩擦学性能。其中以层状结构的二硫化钼和石墨应用最为广泛，但这两种材料都存在一些应用局限性，如钼元素属于*土稀**金属，成本高，且存在高温氧化失效的缺点，石墨的使用环境则必须存在一定量的水分 。因此寻找新的材料补充或替代二硫化钼和石墨对PTFE材料进行改性一直是有意义的研究课题。
层状磷酸锆具有与二硫化钼和石墨类似的层状晶体结构，不溶于水和有机溶剂，耐酸碱能力强，热稳定性和力学强度高，是近年来被广泛研究的一类固体润滑剂。然而，当前研究中层状磷酸锆主要应用于润滑油和润滑脂的改性上，关于将层状磷酸锆应用于改性PTFE鲜有报道，层状磷酸锆对PTFE摩擦磨损性能的影响机制仍需要进一步研究。
基于此，笔者以层状α–磷酸锆为填充材料，采用含泥复合–塑化方法制备了PTFE/α–磷酸锆复合材料，从改性层铅笔硬度、摩擦面表面形貌、摩擦因数、磨损量四个方面揭示不同含量层状α–磷酸锆对PTFE摩擦磨损性能的影响机制，有望为后续优化 PTFE 摩擦磨损性能提供理论和技术支撑。
三、实验部分
1、主要原材料
PTFE 乳液:FR301G;
层状 α– 磷酸锆:99%，20~50 μm，绵竹耀隆化工有限公司。
2、主要设备与仪器 箱式塑化炉:RX3-16-5 型;
涂层铅笔硬度检测仪:PPH-1型;
光学显微镜:XJL-02A 型;
端面摩擦磨损试验机:HDM-20型。
3、试样制备 称取适量PTFE乳液，分别加入质量分数0%，5%，10%，15%，20%，25% 和 30%的层状α–磷酸锆粉末，搅拌均匀后加入酒精破乳形成泥料，使用轧机将泥料与双金属球粉板 ( 由钢背和烧结的多孔铜粉层组成) 复合泥料厚度为0.03~0.05 mm，在180°C下对含泥复合的板材烘干20min，使用轧机对烘干的板材进行中轧，轧下量为0.01 mm，对轧制的板材在氮气气氛下370°C塑化2 h并随炉冷却，塑化好的板材再经终轧最终制成 PTFE 改性层为0.02~0.03mm 的三层复合板材，板材结构如图1 所示。
4、测试表征
铅笔硬度依据 GB/T6739–2006 测试。
材料截面形貌及磨损表面形貌使用光学显微镜观察。
摩擦因数及磨损量依据Q/BL 010–2020测试，干摩擦载荷为2MPa，线速度为0.2 m/s，摩擦时间 2 h ;有油润滑载荷为8 MPa，线速度为0.4 m/s，摩擦时间1.5 h。取试验稳定时的摩擦因数为试样的摩擦因数，用千分尺在样品磨损部位分别测量4点磨损前后的壁厚，并取算术平均值计算磨损量。
四、结果与讨论
1 、PTFE 改性层形貌
图2为不同层状α–磷酸锆含量的三层复合板材的截面形貌。由图2可知，添加的层状α–磷酸锆均匀嵌入在PTFE基体中，且随着层状α–磷酸锆含量的增加，PTFE基体中分布的层状α–磷酸锆增多。
2、PTFE 改性层铅笔硬度
PTFE材料硬度低导致其在使用时耐磨性差，加入填料后材料的硬度会有所变化进而影响到其耐磨性，因此硬度是探究材料摩擦磨损性能的重要参考指标。实验制备的PTFE改性层厚度仅有0.02~0.03mm，一般测试材料硬度的方法并不合适，笔者参考漆膜硬度测试方法通过测试材料的铅笔硬度来了解不同含量的层状α–磷酸锆对PTFE改性层硬度的影响。
表1为不同层状α–磷酸锆含量的PTFE改性层的铅笔硬度。从表1可以看出，随着层状α–磷酸锆含量的增加，PTFE 改性层的铅笔硬度也在不断增加。复合材料的硬度与基体本身的性质有关，也与所填充填料的种类、形貌及含量有关。PTFE其本身硬度较低，而层状α–磷酸锆是一种硬质粒子，因此在加入了层状α–磷酸锆后PTFE 改性层的硬度大幅提高，但随着含量的增加层状α–磷酸锆对PTFE硬度的影响减小，因此 PTFE 改性层硬度增加幅度变小。
3、摩擦与磨损
对不同层状α–磷酸锆含量的PTFE改性层进行端面摩擦磨损试验，通过对比摩擦面表面形貌、摩擦因数及磨损量来分析PTFE改性层的摩擦磨损性能。此外，不同润滑条件下材料的摩擦磨损性能不一样，分别在干摩擦条件下和有油润滑条件下进行端面摩擦磨损试验，分析其摩擦磨损性能。
(1) 摩擦面表面形貌。
为了探究材料的摩擦磨损机理，采用光学显微镜观察试样摩擦面表面形貌，通过对比磨损前后PTFE 改性层的表面形貌对其摩擦磨损机理进行分析。
图 3 为磨损前不同层状α–磷酸锆含量PTFE改性层的表面形貌。从图 3 可以看出，层状α–磷酸锆质量分数为5%~15%时，由于泥料较软导致含泥复合的PTFE改性层较薄，磨损前材料表面出现隐约露铜现象。
图 4 为摩擦条件下不同层状α–磷酸锆含量PTFE改性层的表面形貌。从图 4 可以看出，干摩擦条件下不同层状α–磷酸锆含量PTFE改性层的摩擦面均出现犁沟，由此说明 PTFE 改性层以磨粒磨损为主。对比图3中磨损前PTFE改性层的表面形貌可以看出，层状α–磷酸锆质量分数为0%~15%的PTFE改性层摩擦面出现漏铜现象，且漏铜程度随着层状α–磷酸锆含量的增加逐渐减小;而层状α–磷酸锆质量分数为 20%~30% 的 PTFE 改性层摩擦面没有出现漏铜现象，但改性层表面出现析出物，层状α– 磷酸锆质量分数为20%的PTFE改性层的摩擦面析出物较少。
图 5 为有油润滑条件下不同层状α–磷酸锆含量PTFE改性层的表面形貌。由图 5 可看出，有油润滑条件下不同层状α–磷酸锆含量 PTFE 改性层的摩擦面未出现犁沟、点蚀、剥落、裂纹等磨损现象。对比图 5 和图 3 可以看出，纯 PTFE 层摩擦面出现严重漏铜;层状α– 磷酸锆质量分数为5%~15% 的PTFE改性层摩擦面出现轻微隐约漏铜;与磨损前的状态相差不大;层状α– 磷酸锆质量分数为 20%~30%的PTFE改性层摩擦面没有出现漏铜现象。由上述现象可知，添加层 α–磷酸锆后PTFE的耐磨性提高。
(2) 摩擦因数。
图 6 为干摩擦时摩擦因数随时间的变化曲线。随着时间增加，摩擦因数呈上升趋势，在 100 min后趋于稳定。其中层状 α– 磷酸锆质量分数为15% 时 PTFE 改性层的摩擦因数在整个阶段基本都处于最低状态。层状α–磷酸锆质量分数在 0~10% 之间的 PTFE 层在70 min 前摩擦因数较高，在70 min 后摩擦因数较低。层状α–磷酸锆质量分数在 20%~30%之间的 PTFE 层摩擦因数相差不大。由上述分析可知，干摩擦条件下当层状α–磷酸锆质量分数在15% 时其对 PTFE 材料的减摩效果最佳，稳定时材料的摩擦因数较纯 PTFE 降低 5%左右;层状α–磷酸锆质量分数小于15% 时未起到减摩效果，且随着时间的延长 PTFE 改性层磨损严重导致露铜、耐磨性差;层状α–磷酸锆质量分数大于15% 时前期虽起到减摩效果，但随着时间的延长改性层表面聚集了较多的层状α–磷酸锆硬质粒子，形成的层状 α–磷酸锆聚集层与对摩件摩擦，导致摩擦因数增加。
图 7 为有油润滑时摩擦因数随时间的变化曲线。随着时间增加摩擦因数呈降低趋势，在40 min后趋于稳定。有油润滑条件下添加层状α–磷酸锆的PTFE 改性层摩擦因数较纯PTFE 层低，且随着层状α–磷酸锆含量增加 PTFE 改性层的摩擦因数先减小后增加，当层状α–磷酸锆质量分数为15%时PTFE改性层的摩擦因数最低。由上可知，有油润滑条件下层状α–磷酸锆对PTFE 基体有明显的减摩效果，当层状α–磷酸锆质量分数在 15% 时减摩效果最佳，其稳定时的摩擦因数较纯的PTFE降低50%。纯 PTFE 层摩擦面严重漏铜，露出的铜影响整个油膜的完整性、导致材料的摩擦因数较大;层状α–磷酸锆质量分数为5%~15%时PTFE改性层摩擦面虽有轻微隐约漏铜，但其对油膜的完整性影响很小，层状 α–磷酸锆对材料的减摩作用占优势，因此其摩擦因数较纯 PTFE 低，且随着层状α–磷酸锆含量的增加 PTFE改性层的摩擦因数降低;层状α– 磷酸锆质量分数为20%~30% 的PTFE改性层摩擦面虽没有漏铜，但其表面含有较多的层状α– 磷酸锆硬质粒子，破坏了油膜的完整性，导致改性层的摩擦因数比15%时高，且随着层状α–磷酸锆含量的增加 PTFE 改性层的摩擦因数增加。
(3) 磨损量。
图 8 为干摩擦时磨损量随层状α–磷酸锆含量的变化曲线。干摩擦条件下纯PTFE 层磨损量最大为0.06 mm，随着层状α–磷酸锆含量的增加，PTFE改性层的磨损量减小。当层状α–磷酸锆质量分数为15% 时PTFE 改性层的磨损量为0.009 mm，相比纯 PTFE 其磨损量降低了83.33% ;当层状α–磷酸锆质量分数大于25% 时磨损量达到最低，由此来看干摩擦条件下层状α–磷酸锆对提高PTFE的耐磨性效果明显。纯PTFE 自身耐磨性差，加入层状α–磷酸锆后 PTFE 改性层的硬度增加，且随着层状α–磷酸锆含量的增加硬度不断增加，最终出现随层状α–磷酸锆含量的增加PTFE改性层磨损量不断降低的状况，耐磨性不断增强。
图 9 为有油润滑条件下磨损量随层状α–磷酸锆含量的变化曲线。在有油润滑条件下纯PTFE层磨损量较大，虽然比干摩擦条件下低很多，但仍然达到 0.014 mm。加入层状α–磷酸锆PTFE改性层的磨损量大幅降低，当层状α–磷酸锆质量分数为5% 时，PTFE 改性层的磨损量即降低到0.003 mm。当层状α–磷酸锆含量继续增加时PTFE 改性层的磨损量降低幅度不明显，由此来看有油润滑条件下改变层状α–磷酸锆含量对提高PTFE 的耐磨性效果明显，层状α–磷酸锆质量分数为15%时PTFE改性层的磨损量较纯PTFE 磨损量降低了 78.57%。
有油润滑条件下PTFE改性层的磨损量很小，经观察其摩擦面未发现犁沟、点蚀、剥落、裂纹等磨损现象，试验时对磨件之间又有油膜形成，因此分析有油润滑条件下磨损主要是在油膜破损时改性层与对磨件发生轻微的黏着磨损造成的，即有油润滑条件下PTFE改性层以轻微的黏着磨损为主。
五、结论
(1) 层状α–磷酸锆影响 PTFE 改性层的铅笔硬度。随着层状α–磷酸锆含量的增加，PTFE改性层的铅笔硬度增加。
(2) 层状α–磷酸锆影响PTFE改性层的摩擦因数。无论是在干摩擦条件下还是在有油润滑条件下，PTFE 改性层的摩擦因数随着层状α–磷酸锆含量的增加先降低后升高，当层状α–磷酸锆质量分数为15%时摩擦因数最低，在干摩擦条件下和有油润滑条件下较纯PTFE分别降低 5%和 50%。
(3) 层状α–磷酸锆影响PTFE 改性层的磨损量。无论是在干摩擦条件下还是在有油润滑条件下，加入层状α–磷酸锆的 PTFE 改性层其磨损量较纯PTFE 层降低明显、耐磨性大幅提高。在干摩擦条件下，随着层状α–磷酸锆含量增加PTFE 改性层的磨损量降低明显;在有油润滑条件下，随着层状α–磷酸锆含量增加PTFE 改性层的磨损量变化不明显。在干摩擦条件下和有油润滑条件下层状α–磷酸锆质量分数为15%的PTFE 改性层的磨损量较纯 PTFE 分别降低 83.33% 和 78.57%。
(4) 在干摩擦条件下，PTFE改性层的磨损机理以磨粒磨损为主;在有油润滑条件下，其磨损机理以轻微的黏着磨损为主。